變壓器短路沖擊下抗短路能力分析與防范措施

趙明遠，李延兵

（陜西國華錦界能源有限責任公司，陜西榆林 719319）

0 引言

變壓器突發短路損壞故障問題越來越突出。據不完全統計，1995—1999 年，變壓器突發短路故障125 臺次，占同期總事故臺次的44%，成為變壓器故障的首要問題。

2000 年以來，隨著電網發展，500 kV 變壓器逐漸成為電網的主網架，220 kV 變壓器及以上短路損壞數量逐漸增多，某電力公司曾經在3 年內短路損壞7 臺220 kV 變壓器。

2010 年后有向500 kV 發展的趨勢。2014 年國家能源局《防止電力生產事故的二十五項重點要求》的通知中明確要求500 kV 變壓器和240 MV·A 以上容量變壓器制造廠應提供同類產品突發短路試驗報告或抗短路能力計算報告，計算報告應有相關理論和模型試驗的技術支持。

1 抗短路能力計算

1.1 對稱短路電流穩定值倍數計算

式中 Ki——短路電流穩定值倍數

Uk——變壓器短路阻抗電壓（%）

Us——線路阻抗（%）

1.2 短路電流ID 計算結果

式中 ID——短路電流，A

Ki——短路電流穩定值倍數

In——額定電流，A

1.3 變壓器承受短路耐熱能力計算

按國標GB 1094.5—2003《電力變壓器第5 部分：承受短路的能力》[1]規定,公式如下（以銅繞組為例）：

式中 θ0——繞組的起始溫度，℃，取θ0=105 ℃

θ1——對稱短路后銅繞組允許的最大平均溫度，℃，取θ1=250 ℃

Ki——短路電流倍數

J——電流密度，A/mm

T——對稱短路的持續時間，取T=3 s

2 抗短路能力不足原因分析

（1）變壓器中壓線圈采用普通換位導線，線圈自支撐能力較差，抗短路沖擊能力不足。

（2）變壓器設計及制造水平不足[2]。近年來，電力工業體系飛速發展，大容量高參數電力設備相繼投入運行，以往舊的設計、制造與計算電力變壓器的抗短路能力不能與現行標準相適應。變壓器抗短路能力計算也未與變壓器實際運行環境相結合，導致變壓器抗短路能力存在偏差。隨著絕緣材料和制造工藝的不斷提升，變壓器的抗短路能力也不斷加強。

（3）變壓器線材選型不合理：①當變壓器采用普通換位導線時抗機械強度較差，在承受短路機械力時易出現變形、散股、露銅現象[3]；②軟銅線使用軟導線σ0.2從80 MPa 至半硬導線150 MPa[4]。

（4）工藝不合理：①繞組在繞制過程中較為松散，換位處理不當時，繞組絕緣層過于單薄，造成電磁線懸空或普通換位導線的導線相互錯位。因此，在換位導線的換位處，在短路電流的作用下易發生變形事故[5]；②繞組線匝及導線之間未進行固化處理或固化處理不當，造成抗短路能力不足[6]；③套裝間隙過大，導致作用在電磁線上的支撐不夠；④繞組各檔預緊力不足或預緊力不均勻，當變壓器受短路沖擊時變壓器繞組線餅受到電應力作用，使電磁線發生變形破損。

（5）自然災害造成的短時間內多次短路沖擊加劇了變壓器線圈變形程度并導致絕緣故障發生。

3 防止變壓器突發短路故障的措施

為提高變壓器的抗短路能力，變壓器在制造過程中可采用以下主要措施：

（1）變壓器電磁導線采用半硬自粘換位銅導線。導線選材時，應從導線規格、機械強度、耐熱性能等方面綜合考慮，整體提升導線的抗短路能力[7]。

（2）在制作工藝上，變壓器線圈繞制過程中線匝應排列緊實，線圈端部用玻璃絲絕緣帶綁扎牢固。

（3）在設計方面，應保持各相繞組之間安匝數平衡，并應用建模程序對變壓器抗短路能力進行模擬，根據用戶不同準確計算電動力需求，確定線圈的機械強度[8]。

（4）在制造過程和材料控制方面，應按照制作工藝對各相線圈進行干燥、液壓預緊，在保證線圈全部壓緊的情況下，通過高度調整，使線圈整體高度滿足設計要求，保證三相線圈安匝數保持平衡[9-10]。

（5）在材料選用方面，絕緣材料宜選擇高密度絕緣紙板和成型的絕緣件，從而增加線圈的機械強度，增強變壓器短路時抵御軸向電動力的能力。

（6）內線圈還增加內支撐等措施來減小短路力，保證內線圈不出現徑向失穩現象。

（7）在變壓器線圈端部加裝絕緣墊塊，用來將器身壓緊。在線圈空隙處加裝支撐塊，提升線圈整體機械強度。線圈預緊完成后，按要求進行二次復緊，保證線圈軸向穩定。

（8）在鐵芯柱上對應于線圈撐條處，增加圓形撐條。

（9）在器身制作方面，根據計算鐵芯、鐵軛所承受力的大小，確定拉板、壓板厚度和強度。鐵軛采用鋼拉帶拉緊，鐵芯本體采用環氧綁扎帶固化綁扎，當鐵芯組成整體剛性結構時，變壓器器身強度隨之增強。

4 案例分析

某電廠主變壓器發生差動保護、重瓦斯保護動作，開關跳閘。當時外部環境為雷雨天氣，并伴有雷電、短時大風（最大風速22.4 m/s）、風力9 級、短時強降水等強對流天氣，至24 日8 時，累計降雨量62.9 mm，達到暴雨等級。型號：SFPSZ9-180000/220，容量：180/180/60 MV·A，額定電壓：220/121/10.5 kV。

主變中性點接地運行。主變中壓繞組先后經受了3 次額定電流以上的短路電流沖擊，最后一次電流有效值達到9 倍左右，導致內部故障。

4.1 色譜分析數據

主變油色譜三比值分析編碼為102，屬內部電弧放電（表1）；氣體繼電器內氣體主要成分為氫氣、乙炔，次要成分為甲烷、乙烷和乙烯，故障類型分析為電弧放電。經吊罩檢查，該主變A、B 相中壓線圈多處扭曲變形并絕緣損壞，C 相中壓線圈存在6處絕緣破損。

表1 某電廠主變故障前后色譜數據表

4.2 原因分析

（1）該主變變壓器中壓線圈采用普通換位導線，線圈的絕緣支撐能力較差，在承受短路機械力時易出現變形、散股、露銅現象。

（2）繞組繞制較松，導致換位導線處變形。

（3）安裝工藝較差，套裝間隙過大，導致作用在電磁線上的支撐不夠。

（4）線餅預緊力不足，壓制不均勻，導致變壓器在短路沖擊時線餅的跳動，應力過大而發生變形。

（5）自然災害造成的短時間內多次短路沖擊加劇了變壓器線圈變形程度并導致絕緣故障發生。

5 結論及建議

（1）在變壓器制造過程中應明確制造廠提供參數相同或相近的同類型變壓器短路試驗報告及其變壓器動熱穩定性能的計算報告，并承諾提供合同變壓器的具體結構參數，以便計算校驗合同變壓器的抗短路能力。

（2）運行單位應取得所訂購變壓器的抗短路能力計算報告及抗短路能力計算所需詳細參數，并按照GB 1094.5 提供的判斷依據進行審核，滿足國標要求的，可認為滿足抗短路能力要求；不滿足要求的，應立即讓變壓器廠家改進設計，以提高變壓器抗短路能力。

（3）用戶可根據短路電流的方式和大小不同，合理配置變壓器抗短路能力，達到設備安全性與經濟性的合理配置。

（4）采用高機械強度的導線。110 kV 及以上變壓器內線圈應根據短路力校驗決定采用半硬自粘性換位導線或半硬組合銅導線，自粘性換位導線在膠的作用下粘合在一起，整體性較好，由自粘換位導線構成的繞組“堅硬度”大增，使得整個繞組抗輻向的變形能力大為增加。

（5）采用硬紙筒繞制線圈，采用加密線圈的內外撐條等措施。

（6）進行突發短路試驗抽檢。

（7）變壓器大修時做繞組變形測試。